150煤矿开采2014年第5期-02-孟巴矿高地温高湿环境采空区特厚遗煤自燃规律研究

空区 65m 之前，O2 浓度维持在 18% 以上，O2 浓度 中扩散系数，常温下 2. 88 × 10 － 5 m － 2 ·s － 1 ； V （ T）
下降速度较慢，同时未检测到 CO 气体，在 65m 之 为煤体在新鲜风流中的实际耗氧速 率，20℃ 时 V
后 O2 浓度下降速度加快ห้องสมุดไป่ตู้同时 CO 气体产生量增 （ T） 为 9. 12886 × 10 － 5 kg / （ m3 ·s） 。
空区内氧浓度场数值模拟的方法，以 O2 浓度和 CO
中 w 浓度作为指标划分了自燃 “三带” 范围，为二分 w 层工作面采空区煤自燃防治提供了依据。
受高温、高湿环境及一分层遗煤二次氧化影响导致 煤自燃危险性较大。
2 采空区煤自燃危险区域观测方法
2. 1 测点布置 在工作面进、回风两巷预留束管及测点，束管
空隙率 （ 按照 30% 计算） ，推算出采空区浮煤厚度 范围为 4. 7 ～ 9. 3m。
环境，同时又有足够的 O2 浓度，煤体氧化速度较 快，自燃危险性大，是煤自燃防治的重点区域。
3. 2 两侧采空区气体分布
煤自燃过程其实就是煤氧复合反应的过程，煤
分子结构与氧发生物理、化学吸附及化学反应，该
过程所产生的反应物 CO 浓度能够衡量煤自燃的程
图 1 采空区 “三带” 观测测点布置
2. 2 气体采集及分析 主要采用气体法，对预埋束管人工抽气色谱分
析气体成分。随着工作面的推进，预留测点进入采 空区的深度发生变化，根据推进度测算进入采空区 深度，每天定时人工采样分析，测定在采空区不同 深度时的气体情况。
3 观测结果及分析
3. 1 采空区浮煤厚度
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总第 120 期
煤矿开采
2014 年第 5 期
假设采空区温度不发生变化，并且工作面两端
压力保持稳定，则为稳态渗流问题，即： dC /dτ =
－
0； 壁面上： Q = 0 ； 进、回风侧 O2 浓度通过以现
场观测数据为基础，采用 origin7. 0 软件拟合出两
侧 O2浓度分布方程。
回风侧 O2 浓度拟合方程：
4. 2 最小安全推进速度 随着工作面推进，采空区大量的浮煤由于漏风
0. 0264x + 20. 55
（3）
图 4 为综采面采空区 O2浓度模拟结果，由图 4 可以得出，1203 工作面采空区内部 O2 浓度分布范
状态、O2 浓度分布等自燃条件发生变化，因此采 空区的自燃危险区域是动态变化的。氧化升温带浮 煤的自燃需具备足够的时间维持适合自燃的条件，
3. 2. 2 进风侧采空区气体分析
强度； H 为压力； k 为绝对渗透率； μ 为空气粘性
根据观测数据，得到进风侧采空区不同距离的 系数，常 温 状 态 下 μ = 1. 7894 × 10 － 5 kg · m － 1 ·
O2 浓度与 CO 气体浓度规律，如图 3 所示。进入采 s － 1 ； C 为 O2 质量浓度，kg·m － 3 ； D 为 O2 在煤体
( ) ( ) ( )
－ Qx
C x
x
－
+ Qy
kx
C y
H + x y
ky
H y
+ z
－
+ Qz
C z
=
Dx
2 C x2
+
Dy
－
Q =－
k
"H
μ
kz
2 C y2
H = 0 z
+
Dz
2 C z2
－ V（T）
（1）
－
式中，x，y，z 为三维空间坐标； Qx 为采空区漏风
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秦荣宏等： 孟巴矿高地温高湿环境采空区特厚遗煤自燃规律研究
2014 年第 5 期
在引起煤自然发火的 4 个因素中，松散煤体的 堆积状 态 及 厚 度 是 提 供 煤 体 自 燃 的 物 质 基 础［6］。 根据现场条件，1203 工作面顶煤厚度较大，后部
加，在 O2 浓度为 12% 时达到最大，在进入采空区 115m 时 O2 浓度达到 3% 以下，CO 气体基本消失。 在高地温环境下，为降低作业环境温度，工作面配
中 w 渐增加，回风侧采空区内 O2 浓度呈下降趋势。在
测点刚进入采空区 10m 时，O2 浓度降到 18% 左右，
w 此时下降速度开始加快，同时 CO 气体产生速度加 w 快； 在 20m 位置 CO 浓度达到最大值时 O2 浓度降
风侧 1 号测点 O2 及 CO 浓度随距工作面距离变化
1203 工作面两巷采空区 O2 浓度的分布在进风 侧范围比较大，同一位置的 O2 浓度，进风侧比回 风侧普遍偏大，同时 CO 气体与 O2 浓度的分布有较 好的相关性，可辅助作为 “三带” 范围的划分指 标。 3. 3 采空区内部 O2 浓度场数值模拟
第 19 卷 第 5 期 （ 总第 120 期） 2014 年 10 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 19No. 5 （ Series No. 120） October 2014
孟巴矿高地温高湿环境采空区特厚遗煤自燃规律研究
秦荣宏1，2 ，翟小伟3，4
（1. 徐州矿务集团，江苏 徐州 221000； 2. Barapukuria Coal Mining Company Limited Chowhti，Parbatipur，Dinajipur Bangladesh； 3. 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054； 4. 西部矿井开采及灾害防治教育部 重点实验室，陕西 西安 710054）
y = 2 × 10 － 6 x5 － 3 × 10 － 4 x4 + 0. 0171x3 －
0. 4262x2 + 3. 8512x + 7. 7254
（2）
图 5 1203 工作面采空区 “三带” 分布
进风侧 O2 浓度拟合方程： y = － 3 × 10 －7 x4 + 4 × 10 －5 x3 － 0. 0019x2 +
孟加拉巴拉普库利亚煤矿 （ 以下简称孟巴矿） 是孟加拉国兴建的第 1 个年产 1. 0Mt 的现代化矿 井，目 前 分 层 开 采 VI 煤 层， 煤 层 厚 38. 0 ～ 40. 52m，平均 39. 14m，变 质 程 度 低，极 易 自 燃。 二分层 1203 工作面位于井田南翼采区下山南侧， 采用 综 合 机 械 化 采 煤 法 开 采，其 上 方 为 一 分 层 1103 工作面采空区，分层间有 3. 3 ～ 6. 5m 的煤柱， 采空区内遗煤量大。工作面处于高地温环境，煤岩 初始温度在 40℃ 以上，为保证工作面作业温度环 境，配风量为 1300m3 / min，煤系地层顶部存在含 水层，工作面最大涌水量可达 200m3 / h，采空区内
4. 1 煤自燃危险区域分布规律
中 w 现阶段采空区煤自燃危险区域的判定主要采用 w “三带” 划分方法，针对确定的氧化升温带进行重 w 点防治。根据两巷采空区内 O2浓度与 CO 气体的分
期，d。工作面的推进速度小于工作面氧化升温带
的最大距离 Lmax = max ｛ L｝ 和 τmin 之商时，就有可 能发生自燃，即［6］：
由于煤自燃过程非常缓慢，因此可以认为在正
到 10% ，之后 O2 浓度下降速度降低，CO 浓度开始 常生产中采空区的渗流、扩散及化学反应是稳态过
下降； 在 45m 时 O2 浓度达到 3% 以下，CO 浓度基 程，采空区温度保持不变，利用如下控制方程［12］：
本消失。在 20 ～ 45m 范围内虽然 O2 浓度下降速度 降低，CO 浓度仍较高，仍存在氧化自燃现象。由 于高地温及水分的作用［8 － 11］，煤体在与空气接触 初期，CO 浓度较高，氧化程度大，增加了煤自燃 的危险性，因此，在 1203 工作面推进的过程中， 回风侧 10 ～ 45m 范围是防灭火的重点区域。
围较大，中部 O2 浓度分布与进风侧相近，O2 浓度 即维持 时 间 τ ＞ τmin，τmin 为 浮 煤 的 最 短 自 然 发 火
3% 时在工作面后方 110m 左右，靠近回风侧 O2 浓 度分布范围相对较小。
炭期i刊na网(caj.n) et 4 1203 综采面采空区模拟 O2浓度分布规律 国煤 .ch 4 采空区煤自燃规律分析
矿井采空区煤自燃火灾严重威胁着矿工的生命
t 与煤矿的安全生产，大量理论与实践研究表明，煤 网 e 自燃 “三带” 划分可以有针对性地指导采空区煤 刊 j.n 自燃防治［1］，但由于不同矿区煤层自燃倾向性不
同，开采环境及方式有所区别，自燃的预测指标和
a “三带” 划分依据也并不相同。目前采空区煤自燃 期 c “三带” 的预测指标与划分依据主要有 O2 浓度、 炭 a CO 浓度、C2 H2 浓度、温度与漏风强度［2 －5］等。针 in 对孟巴矿二分层工作面在高地温高湿环境下采空区 煤 h 遗煤量大、存在二次氧化等诸多因素影响煤自燃的 国 .c 复杂性，采用工作面两巷铺设束管取气分析以及采
［收稿日期］ 2014 － 02 － 10
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11 － 3677 / td. 2014. 05. 028
［作者简介］ 秦荣宏 （1963 － ） ，男，江苏高邮人，采矿高级工程师，现任徐州矿务集团有限公司孟巴项目部总经理、党总支书记。
［引用格式］ 秦荣宏，翟小伟 . 孟巴矿高地温高湿环境采空区特厚遗煤自燃规律研究 ［J］ . 煤矿开采，2014，19 （5） ： 100 － 102，69.
ν＜
νmin
=
Lmax τmin
（4）
式中，νmin为工作面极限推进速度，m / d； Lmax 为工
作面氧化升温带最大宽度，m。
1203 工作面氧化升温带最大宽度 Lmax = 50m， 孟巴矿 VI 煤层变质程度低，极易自燃，根据之前
的发火经验及高地温影响确定其自然发火期低于
20d，以采空区初始温度为 40℃ 计，推测采空区浮
在现场检测数据的基础上，根据多孔介质流体 力学原理，采用 FLUENT 数值模拟软件对 1203 综 采面采空区内部 O2 浓度场进行了数值模拟。根据 工作面实际情况，建立采空区三维模型长 200m， 宽 130m，计算区域划分网格为非结构性网格，浮 煤中网格在 x，y，z 3 个方向上步长为 0. 2m，岩 石中步长为 0. 5m，共划分网格 1690000 个。
预留长度为 150m，束管外用 50mm 钢管进行保 护，两巷各设置 2 个测点，分别编号 1 号、2 号， 测点间距 50m，测点布置如图 1 所示。由于涌水量 较大，为防止采空区积水堵塞束管，每个探头抬高 1. 5m 以上。同时在探头外用留有孔的铁箱罩住， 整个管路尽量贴近煤壁以防挤压。
w 1 工作面概况
度，故研究 O2 浓度及 CO 浓度的变化规律可以用来 分析采空区自燃规律。
3. 2. 1 回风侧采空区气体分析
根据观测数据，得到回风侧采空区距工作面不
t 同距离的 O2浓度与 CO 浓度，如图 2 所示。 煤炭期hi刊na网caj.ne 回风侧测点 O2及 CO 浓度随距工作面距离变化 国 .c 随着工作面的推进，测点进入采空区的深度逐
［摘 要］ 针对孟巴矿二分层 1203 工作面采空区特厚遗煤在高地温高湿环境下存在二次氧化的 复杂性特点，采用工作面两巷预埋管路人工取气观测及数值模拟采空区内 O2 浓度场的方法，以 O2 浓 度及 CO 浓度为指标划分了采空区煤自燃 “三带” 范围，确定了工作面的最小安全推进速度为 2. 8m / d，为二分层工作面自燃火灾防治提供了依据。
采空区内留下大量遗煤，同时有一分层 1103 采空 区内二次氧化浮煤，其自燃倾向性更大［7］。根据 2
风量较大，导致进风侧采空区内漏风较大，O2 浓 度降低较慢，产生的 CO 气体经风流稀释作用，浓
个分层间距及一分层采空区遗煤量，结合采出率与 度较低。在 65 ～ 115m 范围内煤体既有良好的蓄热
［关键词］ 高地温； 高湿； 特厚遗煤； 煤自燃 ［中图分类号］ TD752. 1 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1006-6225 （2014） 05-0100-03
Spontaneous Combustion Ｒule of Extremely-thick Ｒesidual Coal in Gob of Mengba Colliery under High Temperature and High Humidity Environment